绿色开采的概念与技术体系.pdf

2 0 0 3年 第 4期 No ． 4 20 03 煤 炭 科 技 COAL SCI ENCE TECHN0L0GY MAGAZI NE l 毫 题 论 述 文 章 编 号 1 0 0 8 3 7 31 l 2 0 0 3 0 4 0 0 01 0 3 绿 色 开 采 的概 念 与 技 术 体 系 钱鸣高 中国矿业 大学 ，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘 要 阐述 了煤矿绿色开采概念 的提 出、 内涵及绿色开采 技术体 系。绿色 开采 技术 的主要 内 容应包括 保 水开采 ， 建筑物 下采煤 -9离层注浆减 沉 ， 条 带 -9充 填开 采 ， 煤 与 瓦斯共采 ， 煤 巷支 护与部 分矸 石的井下处理 ， 煤炭地下 气化等。 岩层控制 的关键 层理论 为绿色 开采研 究提 供 了一 个 理 论 平 台。 关键 词 绿 色开 采 ； 关键 层 理 论 ； 岩 层 移 动 ； 绿 色开 采技 术体 系 中 图 分 类 号 T D8 2 1 文 献 标 识 码 A 1 煤矿 绿 色开 采的提 出 党 的 十 六 大 报 告 明确 提 出 “ 走 出一 条 科 技 含 量 高 ， 经济 效 益好 ， 资 源消 耗低 ， 环 境 污染 少 ， 人 力 资 源优 势得 到充分发挥 的新 型工业化路子 ” 。因此 ， 必 须 充 分 考 虑 我 国 资 源 相 对 短 缺 ， 环 境 比 较 脆 弱 的 基 本 特 点 ， 建 立起 适 合我 国国情 的资 源节 约 、 环 境 友 好 的 新 型 工 业 化 发展 道 路 。 近 期提 出的循 环经 济 r e c y c l i n g e c o n o my 是 指 遵 循 自然 生 态 系 统 的 物 质 循 环 和 能 量 流 动 规 律 重 构经 济 系统 ，将 经 济活 动高 效 有序 地 组 织 成一 个 “ 资源利 用一 绿色 工业一 资源再 生 ”的封 闭型物 质 能量循 环的反 馈式流 程 ，保 持经 济生产 的低 } 肖耗 、 高质 量 、 低废 弃 ， 从 而将 经济 活 动对 自然环境 的影 响 和 破 坏 减 少 到 最 低 限 度 。它 不 同 于 传 统 经 济 的 “ 高开采 、 低利 用 、 高排放 ” ， 而 是要达 到“ 低开 采 、 高 利 用 、 低 排 放 ” 的 可持续 发 展 目标 显 然 ， 此 处 的 “ 绿 色工业 ” 是广义 的概念 ， 应 由各个 工业部 门去实现 。 对矿业来说 就是要 实现“ 绿色矿业 ” 。“ 绿色矿业 ” 的 核 心 内容 之 一 就 是 要 实 现 “ 绿 色 开 采 ” 。 “ 绿 色 开 采 ” 的 内 涵 是 努 力 遵 循 循 环 经 济 中 绿 色 工 业 的 原 则 ， 形 成 一 种 与 环 境 协 调 一 致 的 ， 努 力 去实现 “ 低开采 、 高利用 、 低排放” 的开采技术 。 矿 区 在 开 发 建 设 之 前 与 周 围 环 境 是 协 调 一 致 基金项 目 国家 自然科学 基金 资助项 目 5 9 6 7 4 0 1 1 的 ， 而进行开发建设后 ， 强烈 的人 为活动便使环境 发 生 巨大 的变 化 ，由此形成 了矿 区独特 的生态环境 问 题 ， 如造成农 田及建 筑物破 坏 ， 村 庄迁徙 ， 矸 石堆积 ， 使河川径流量 减少 ， 以及地 下水供水水源 干枯 ， 在 地 面导致 的土地沙漠化 ，由于开采 而使矿物 内的有害 物质流入 地下水 中等 。我 国 目前的煤矿 生产是 在 以 下两种情 况下进行 的 一是生产成本 不完全 。 如投入 不 足 ； 技术装备落后 ； 安全设 施欠账 ； 工人 工资太低 。 二是相关 费用支付不全 。 如矿产 资源费及植被恢 复 ， 地 面塌 陷与水损失 ， 污染治理等 。 提 出并 形成绿色开 采 技术是 为 了正 视开采 对环 境造 成 的影 响 和破 坏 ， 以便 提 出必 要 的对 策并 对政 府 提 出必要 的政 策 建 议 。煤 炭开采形成 的环境 问题主要有 ① 对土地 资 源的破 坏和 占用 。 煤炭开采对 土地资源 的破 坏损害 ， 井工开采 以地表塌 陷和矸石 山压 占为 主 ，而露天开 采则以直接挖损 和外 排土场压 占为 主。② 对水资 源 的破 坏和污染 。煤炭 开采过程 中进行 的人为疏干 排 水 和采动 形 成 的导 水裂 隙对 煤 系 含 水层 的 自然疏 干 ， 破坏 了地 下水资源 。 同时开采还 可能污染地 下水 资源。 ⑧ 对大气环境 的污染 。 主要来 自矿井排 出的煤 层瓦斯抽放 和煤 矿矸 石 山的 自燃 。 以 山 西 省 为 例 ， 1 9 4 9至 1 9 9 8年 共 生 产 原 煤 5 6 亿多 吨 ， 地 面塌 陷破 坏 面积 达 6 6 6 0 0 h a ， 其 中 4 0 ％ 是耕地 。矸石 山 占地 20 0 0h a 。至 1 9 9 8年煤炭地 下 维普资讯 Z 煤炭科技 2 0 0 3年第 4期 采 空面积达 1 3 0 0 k m 占全省面 积的 1 ％ 。采煤破 坏 地下水 4 ． 2亿m ／ a ， 地表 水径流减 少 ， 导致 井水位 下降或断 流共计 3 2 1 8个 ， 影 响水 利工 程 4 3 3处 ， 水 库 4 0座 ， 输 水 管道 7 9 3 ． 8 9 k m； 造 成 1 6 7 8个村庄 ， 8 1 2 7 1 5口人 ， 1 0 8 2 4 1 头牲 畜饮水 困难 。 使本来 缺水 的山西环境 受到进一步破坏 。平均每采 万吨原煤造 成塌 陷土地 0 ． 2 h a ， 每年新增 塌陷地约 2万h a 。 矿 井 瓦 斯 即煤 层 气 ， 它 是 比 C 0 还 严 重 的 温 室 气体 ， 也是导致 煤矿重大安全事 故的根源 。 据初步估 计 ，我 国 2 k m浅范 围内具有 3 0 ～ 3 5万亿m 煤 层气 资源 ， 居世界前 列 。但 由于我国煤层透气性小 ， 难 以 在开采前抽 出。 建 国以来 ， 我 国煤矿 发生煤与瓦斯 突 出事故 1 5 0 0余 次 ， 仅 2 0 0 1年瓦斯事 故 的死 亡人数 即达 2 3 5 6人 ， 为煤 矿总死亡人数 的 4 0 ％。 煤矿 每年 排放 瓦斯 7 0 亿- 1 9 0亿m 。同时 瓦斯 又是最 好 的清 洁能源 ， 因此必须 加 以利用 ， 变害为宝 。 由此 可见 ， 提出并尽快形成煤 矿的“ 绿 色开采技 术 ” 已迫在眉 睫[ 。 2绿 色开 采 的 内涵与技 术体 系 从广义资源 的角度论 ， 在矿 区范 围内的煤 炭 、 地 下水 、 煤 层气 瓦斯 、 土地 以至 于煤矸石 以及在煤 层 附近 的其他矿 床 ，都应作 为经 营这个矿区 的开 发对 象而加 以利用 。 原来 对矿井瓦斯 的定 义是 “ 矿井 中主要 由煤层 气构成 的 以甲烷为 主的有害气 体 。 ” 而在矿井水文地 质类 型划分 中认 为 “ 根据 矿井水文地质条 件 、涌水 量 、 水害情 况和防治水难易程 度 ， 划 为⋯⋯类 型 。 ” 显 然 ，上述概念将原本 为矿 区资源 的瓦斯 和水单纯 作 为有害物来对待是 不合适 的。 煤矿绿色 开采及相应 的绿 色开采技 术在基本 概 念 上是从广 义资源的角度上来认 识和对待煤 、 瓦斯 、 水等一切 可以利 用 的资源 ，基本 出发点是 防止 或尽 可能 减轻 开采煤炭 对环 境 和其他 资源 的不 良影 响 ， 目标是取 得最佳 的经济 效益和社会效益 。针 对煤矿 中土地 、 地下 水 、 瓦斯 以及矸 石排放等 ， “ 绿 色开采技 术 ” 主要包 括 以下 内容 ① 水资源 保护 形成 “ 保 水 开采” 技 术 ； ②土地 与建筑物保护形 成离层 注 浆 、 充填 与条 带开采 技术 ； ⑧ 瓦斯 抽放 形成 “ 煤 与瓦斯共采 ” 技术 ； ④ 煤层巷道支护技 术与减少矸 石 排放技术 ； ⑤ 地下气化技术 。 这些 内容构成 的绿 色开 采技术体 系如图 1所示 。 煤 炭 开 采 岩层 移动 排放 矸石 厂__卜_ 一厂 厂 ] ] l 地 下 水 资 源 流 失 与 突 水 事 故 保 水开采 瓦斯卸压 流动 与瓦斯 事 地 表塌 陷土地 故 、排放 瓦斯 污染环境 与建筑物损 害 _ _ 『 煤 与瓦斯 共采 一 充填 与条带 开采 离 层 注 浆 减 沉 占 用 农 田 污 染环境 一 煤 巷支 护 、 部 分 矸 石 井 下 处 理 煤 炭 地 下 气 化 f 绿 色 开 采 图 1 煤 矿 绿 色 开 采 技 术 体 系 开采 引起 环 境 与 主 要 安 全 问 题 的发 生 都 同 开 采 后造成 的岩层 运动有关 岩体不 破坏上述 问题都 不 会发生 。 因此 ， 绿 色开采的重大基础 理论 为 ① 采矿 后岩层 内的“ 节理裂隙场” 分布及离层规律 ； ② 开采 对岩层与地 表移动的影响规 律 ；③ 水与瓦斯在 裂隙 岩体 中的渗 流规律 ；④ 岩体 应力 场的分布规律 及岩 层 控 制 技 术 。 3关键 层 理论 对绿 色 开采研 究 的指 导作 用 采 场老顶岩层 “ 砌体梁 ” 结构模 型是针 对开采过 程 中 的 矿 山压 力 控 制 而 提 出 来 的 。 近 年 来 ， 为 了解 决 岩 层 控 制 中更 为 广 泛 的 问 题 ，提 出 了 岩层 控 制 的 关 键 层 理 论 [ 2 ] 。提 出关 键 层 理论 的 目的是 为 了 研 究 覆 岩中厚硬岩层对层状矿体 开采 中节理裂 隙的分布及 其对 瓦斯抽放与突水 防治以及对开采沉陷控制 等的 维普资讯 2 0 0 3年 第 4期 钱鸣高 绿色开采的概念与技术体系 3 影 响。 因而 ， 关键 层理 论将 为绿 色开采 的研 究提供 理 论 平 台 。 ‘ 开 采 后 ， 随 着 关 键 层 的 破 断 ， 在 该 区 域 内 地 下 水 将 形 成 下 降 漏 斗 。地 下 水 位 能 否 恢 复 ， 则 决 定 于 随 着 工 作 面 的 推 进 ，上 覆 岩 层 中 是 否 有 软 弱 岩 层 事 实 上 它 是 研 究 地 下 水 渗 漏 的 “ 关 键 层 ” 经 重 新 压实导致裂 隙闭合 而形成隔水带 。把 地下水视为 资 源 ， 必须 形 成保 水 开采 技术 ， 即开采 后 地表 水 暂 时 形成下降漏 斗仍能恢复到原来状 态的开采技术 。 基于岩层 控制 的关键 层理 论提 出 将保 证覆 岩 主关键 层 不破 断 失稳 作 为建 筑物 下 采 煤设 计 的 基 本原则 。为了保证 建筑物下 采煤 既具有较好 的经 济 效益 ， 同 时又 确保 地面 建 筑物 不 受到 损 害 ， 关 键 在 于根据 具 体 条件 下覆 岩 结构 与 关键 层 特 征来 研 究 确定合理 的减沉开采技术 及参数 。确定覆 岩中的关 键 层位 置 ， 掌 握其 离层 与 破 断特 征参 数 ， 是 注浆 减 沉 技 术 应 用 可 行 性 分 析 、 钻 孑 L 布 置 与 注 浆 工 艺 设 计 及 减 沉 效 果 评 价 的 基 础 。 从 理 论 上 来 说 ， 充 填 采 矿 是 解 决 煤 矿 开 采 环 境 问题 的 理 想 途 径 。 为 了 降低 充 填 成 本 ， 基 于 岩 层 控 制 的 关 键 层 理 论 ， 提 出 了部 分 充 填 条 带 充 填 控 制 开 采 沉 陷 的 思 路 仅 充 填 部 分 采 空 区 ， 只 要 保 证 未 充 填 采 空 区 的 宽 度 小 于 覆 岩 主 关 键 层 的 初 次 破 断 跨 距 ， 且充 填 条带 能保 持 长期 稳定 ， 就可有 效 控 制 地 表沉 陷 。 我 国 7 0 ％ 以上 煤层 的渗透 率小 于 1 1 0 m ， 这对我 国开展煤层瓦斯 采前预抽是极 为不利的 。若 在开采 时形成 采煤和采 瓦斯 两个 完整 的系统 ， 利 用 岩 层运 动 的特点 将 煤 层气 高效 开 采 出来 ，即形 成 “ 煤 与瓦斯共采 ” 技术 。关键层 理论所得 出的节 理裂 隙场分 布规律将对瓦斯抽 出技 术有重要参考作 用 。 矸 石不上井涉及 到煤巷 维护问题 ，而且 随着采 深 的增 加 ， 岩 石巷 的开掘将不 可避免 。 因此矸 石不上 井 就存在一个矸石 井下处理系统 。 应该说 ， 在经济原 则 下矸石 的井下处 理是绿色采矿 问题 。但 矸石 的井 上处理就像地 面复恳一样是环境治 理问题 ，不属 于 绿 色 开 采 技 术 。 煤炭地 下气 化是一种整体绿 色开采技术 。应解 决如何使地 下煤 炭气化产生 的致 癌物质 苯和酚不扩 散 ， 不污染 、 毒化地下水 资源及 如何处理燃烧形 成的 大量二 氧化碳 污染空气 的问题 。否则煤炭地下气 化 就 失 去 了绿 色 开 采 的 意 义 。 4绿 色开 采若 干待 研 究的 问题 下列问题将是绿 色开采有待于进一 步研究 的主 要问题 ① 采动破 裂煤 岩体 中水 与瓦斯 流动规律 的 研究 ；② 基 于岩层 移动与关键层理论 的开采沉 陷预 测与建筑物 下采煤 的定量设计方 法 ；⑧ 适合煤矿 特 点的充填采 矿材料与工艺 系统 ；④ 煤矿绿色 开采技 术 的 经 济 评 价方 法 与 法 规 。 参 考 文 献 [ 1 ] 钱 鸣高 ，许家林 ，缪 协兴 ．煤 矿绿 色开 采技 术 [ J ] ． 中 国矿业 大 学 学 报 ， 2 0 0 3， 3 2 4 3 4 3 ～ 3 4 8 [ 2 ] 钱 鸣 高 ，缪 协 兴 ，许 家林 ，等 ．岩 层 控制 的 关键 层 理 论 [ M] ． 徐 州 中 国矿 业 大 学 出 版 社 ． 2 0 0 0 ．1 3 0 0 作者简 介 钱呜 高 1 9 3 2 一 ， 男 ， 江 苏无 锡人 ． 中国工程院 院 士 ， 中国矿 业大学教授 ， 博 士生 导师 ． 从 事采矿 工程方 面研 究。 收 稿 日期 2 0 0 3 1 卜1 9 T E C HNOL OG I C AL S YS T E M AND GRE E N MI N I NG C ONC E P T Q I A N M i n g - g a 0 Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g ＆ F e c h n o l o g y，Xu z ho u 2 21 0 0 8，Ch i n a Abs t r ac t Thi s a r t i c l e c l a r i f i e s t h e p ut t i ng f o r wa r d ， c o nn o t a t i o n a n d g r e e ni n g t e c hn i c a l s y s t em o f m i ni ng ． The ma i n c o nt e n t o f t h e g r e en t e c h ni q ue i n c o a l mi n i ng s h o ul d i nc l u de s wa t e r pr e s e r v i ng mi n i ng ， c o a l mi ni n g un de r bui l di n g an d be d s e pa r a t i on g r o ut i ng t o r e du c e s ur f a c e s ub s i d e nc e， pa rti a l e x t r a c t i o n a n d ba c kl l mi n i ng， s i mu l t a n e o u s e x t r a c t i o n o f c o a l a nd c o a l -b e d me t ha n e ， c o a l r o a d wa y s upp o r t i ng a n d u nd e r g r o u nd d i s ch a r g e o f p arti a l r o ck r e f us e， un de r g r o un d c o a l g as i c a t l o n， e t c ．Th e t h e o r y o f ke y s t r a t a i n g r o u nd c o n t r o l p r o v i d e a t h e o ry f o und a t i o n f o r t h e g r e e n c o a l mi ni n g r e s e a r c h． Ke y wo r ds g r e e n t e c h n i q u e i n c o a l mi n i n g； t h e k e y s t r a t u m t h e o ry i n g r o u n d c o n t r o l ； s t r a t a mo v e me n t s ； g r e e n t e c h ni c a l s y s t e m o f mi n i n g 维普资讯